EP0347764A2 - Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb bewegbaren Armatur - Google Patents

Abstract

Zur Messung von Drehmomenten an Armaturen werden bisher Meßeinrichtungen verwendet, welche die zu übertragende Kraft mit Hilfe von Wegzellen messen, die mit Dehnungs­meßstreifen bestückt sind. Der konstruktive Aufbau und die daraus resultierende Baugröße ist nicht geeignet, diese Meßeinrichtung zwischen Armatur und Elektromotor permanent zu belassen, so daß diese Meßeinrichtungen nur zu periodischen Messungen einsetzbar sind. Es soll daher eine permanent eingebaute Einrichtung gefunden werden, die eine kontinuierliche Dehnungsmessung erlaubt. Dazu ist das Gehäuse (2) des Stellantriebes (3) und das Ge­häuse (4) der Armatur (5) über eine Flanschbuchse (1) miteinander verbunden. Die Flanschbuchse trägt im Be­reich einer Freidrehung (21) den Dehnungsmeßstreifen (23) und weist einen Freiraum zum Durchtritt der Armatu­renspindel (20) auf. Während der Kraftfluß von Stellan­trieb (3) über einen Adapter (16) zu einer die Armatu­renspindel verstellenden Gewindehülse (18) gelangt, wird die zwischen Stellantrieb und Armatur stationär angeord­nete Flanschbuchse (1) einem Torsionsmoment ausgesetzt, das über den Dehnungsmeßstreifen (23) gemessen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb bewegbaren Armatur unter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeß­streifens.
• Zur Messung von Drehmomenten an Armaturen werden bisher Meßeinrichtungen verwendet, welche die zu übertragende Kraft mit Hilfe von Wägezellen messen, die mit Dehnungs­meßstreifen bestückt sind. Der konstruktive Aufbau und die daraus resultierende Baugröße ist nicht geeignet, diese Meßeinrichtung zwischen Armatur und Stellantrieb bzw. Elektromotor des Stellantriebes permanent zu belas­sen, so daß diese Meßeinrichtungen nur zu periodischen Messungen einsetzbar sind.
• Ferner ist aus der DE-PS 22 50 141 und der DE-AS 12 31 517 eine drehmomentabhängige Abschaltung zum Schutz der Armatur vor Überlast bekannt. Dabei ist die Schnecken­welle des Stellantriebes als Verschiebeschnecke ausge­bildet, die über Spannfedern mittig zum Schneckenrad gehalten ist. Tritt an der Antriebswelle ein Lastmoment auf, das größer ist als das durch die Vorspannung der Federn eingestellte Moment, drückt die Umfangskraft am Schneckenrad die Schneckenwelle aus ihrer Mittellage und betätigt über ein Hebelsystem den dazugehörigen Drehmo­menttaster, der den Motor elektrisch abschaltet. Eine solche mechanische Steuereinheit ist aufwendig und wegen der Vielzahl mechanischer Übertragungselemente störan­fällig.
• In der DE-OS 35 28 364 wird ein Reaktionsdrehmomentauf­nehmer beschrieben, der vorwiegend zum Anziehen von Schrauben verwendet wird. Er besteht aus zwei über ein Torsionsrohr miteinander verbundenen Flanschen.
• Weiterhin ist aus der CH-PS 463 145 eine Anordnung aus koaxialen Nabenelemente bekannt, die eine Umlenkung des Kraftflusses zu einem Kettentrieb ermöglichen. Eine der Naben ist als Meßnabe ausgebildet.
• Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die permanent ein­gebaut ist und eine kontinuierliche Drehmomentmessung erlaubt.
• Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Gehäuse des Stellantriebes und das Gehäuse der Ar­matur über in ihrem zylindrischen Teil als Torosionsrohr wirkende an sich bekannte Flanschbuchse miteinander verbunden sind, wobei die Flanschbuchse von der Armaturenspindel durchsetzt ist und wobei in einem Ring­raum zwischen der Flanschbuchse und der Armaturenspindel ein Adapter zur Übertragung der Antriebskraft zwischen Stellantrieb und Armatur angeordnet ist.
• Während der Kraftfluß über einen Adapter vom Stellan­trieb zu einer die Armaturenspindel verstellenden Ge­windebüchse gelangt, wird die zwischen Stellantrieb und Armatur stationär angeordnete Flanschbuchse einem Torsi­onsmoment ausgesetzt, das über einen Dehnungsmeßstreifen gemessen wird. Durch die kontinuierliche Messung des Drehmomentes können mechanische Veränderungen in der Baueinheit Stellantrieb/Armatur durch den Vergleich von sich ändernden Drehmomentkurven bei gleichen Betriebszu­ständen frühzeitig erkannt werden. Eine vorbeugende In­standhaltung ist dadurch möglich, bevor der unvorherge­sehene Ausfall große Schäden an einer technischen Anlage hervorrufen kann. Die Drehmomentmeßwerte werden unmit­telbar zur Ansteuerung des Elektromotores des Stellan­triebes verwendet, so daß ein aufwendiger mechanischer Drehmomentbegrenzer nicht erforderlich ist. Die Einrich­tung läßt sich ferner zum Steuern von Verfahrensabläufen bei veränderlichen Betriebsparametern einsetzen. So kann beispielsweise bei einer Durchflußregelarmatur ein sich änderndes Drehmoment auf eine Viskositäts- oder Durch­flußänderung hinweisen.
• Nach einer anderen Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß ein Bauteil des Stellantriebes oder der Armatur als überwachbares Torrosionselement ausgebildet ist.
• Durch die Verwendung...
• Durch die Verwendung eines Bauteiles des Stellantriebes oder der Armatur als Torsionselement werden die äußeren Baumaße der Baueinheit Armatur/Stellantrieb nicht verän­dert, so daß ein Schwerpunktverschiebung wie bei der Lösung "Flanschbuchse" nicht eintritt.
• Die Signale des Dehnungsmeßstreifens werden dabei vor­zugsweise induktiv durch dem Dehnungsmeßstreifen zuge­ordnete Spulen übertragen.
• Ein mit dem Bauteil verbundene Spulenrotor übergreift den Dehnungsmeßstreifen und dient vorzugsweise als Schutzhülle.
• Anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren 1 bis 3 werden die erfindungsgemäßen Einrichtungen beschrieben.
• Dabei zeigt die
• Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich von Stellantrieb und Armatur mit der dieselben verbindenden Flanschbuchse,
• Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fi­gur 1 und
• Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich der Baueinheit Stellantrieb/Armatur mit einer als Torsionselement ausgebildeten Zentralantriebs­säule des Stellantriebes.
• Die Figur 1 zeigt eine Flanschbuchse 1, die mit einem Gehäuse 2 eines nicht näher dargestellten Stellantriebes 3 und einem Gehäuse 4 einer ebenfalls nicht weiter dar­ gestellten Armatur 5 zu einer stationären Baueinheit verbunden ist. Dazu ist der untere Flansch 6 mit Ge­windebohrungen 7 zur Aufnahme von je einer das Gehäuse 4 und einen ihm zugeordneten Ring 8 durchsetzenden, mit neun, angedeuteten, Schraube versehen. Der obere Flansch 10 weist Durchgangsbohrungen 11 zur Aufnahme von mit 12 angedeuteten Schrauben auf, die in nicht dargestellten Gewindebohrungen des Gehäuses 2 eingreifen.
• Zur Übertragung der Antriebskraft des Stellantriebes 3 greift dessen über ein Kugellager 13 am Gehäuse 2 abge­stützte Zentralantriebssäule 14 über eine Nut-/Federver­bindung 15 in einen hülsenförmigen Adapter 16 ein. Über eine weitere Nut-/Federverbindung 17 zwischen dem Adap­ter 16 und einer Gewindehülse 18 der Armatur 5 wird die durch Kugellager 19 abgestützte Gewindehülse 18 in Dre­hung versetzt, so daß die Spindel 20 der Armatur 5 ihre Hubbewegung ausführt. Dabei durchsetzt die Spindel 20 den hülsenförmigen Adapter 16.
• Die Flanschbuchse 1 ist zwischen ihren Flanschen 6, 10 mit einer Freidrehung 21 versehen, so daß an dieser Stelle eine relativ dünne Wand 22 stehenbleibt. Diese dünne Wand 22 trägt zwei diametral gegenüberliegende Dehnungsmeßstreifen 23. Sie messen ein in Form eines Torsionsmomentes auftretendes Drehmoment, das eine dem Kraftfluß zwischen Zentralantriebssäule 14, Adapter 16 und Gewindehülse 18 gebildeten Reaktionskraft ent­spricht. Die Meßsignale der Dehnungsmeßstreifen werden einem mit 24 angedeuteten Meßverstärker zugeleitet. Vom Meßverstärker gelangt das Ausgangssignal zu einer nicht dargestellten Steuereinheit des Stellantriebs-Motor. In der Auswertestation werden die Drehmomentkurven mit Sollkurven bestimmter Betriebsabläufe der Baueinheit Stellantrieb/Armatur verglichen. Abweichungen geben Auf­schluß über mechanische Veränderungen in der Baueinheit und erlauben z. B. eine vorbeugende Instandhaltung. Die der Steuereinheit des Elektromotors für den Stellantrieb zufließenden Signale führen zum Abschalten des Motors beim Überschreiten eines zulässigen Drehmomentes. Eine Schutzhülse 25 übergreift die Freidrehung 21 und trägt ein Gehäuse 26 des Meßverstärkers 24. Eine Dichtung 27 schützt die im Bereich der Freidehnung 21 angeordneten Dehnungsmeßstreifen 23 vor Verschmutzung und/oder Be­schädigung.
• Die Figur 2 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie II-II der Figur 1 die Position der Dehnungsmeßstreifen 23 und des Meßverstärkers 24. Die ein Scharnier 28 und ein Verschlußelement 29 aufweisende Schutzhülse 25 um­faßt konzentrisch die Wand 22 und trägt das Gehäuse 26 des Meßverstärkers 24.
• Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt die Figur 3. Dort sind das Gehäuse 2 des Stellantriebes 3 und das Gehäuse 5 über eine Verschraubung 30 unmittelbar miteinander verbunden. Die Zentralantriebssäule 14 ist über eine Nut-/Federverbindung 31 mit der Gewindehülse 18 kraft­schlüssig verbunden. Das Drehen der über Kugellager 19 abgestützten Gewindehülse 18 führt zur Hubbewegung der Spindel 20 der Armatur 5. Ein mit der Zentralantrieb­ssäule 14 verbundenes Schneckenrad 32 wird von einer nicht dargestellten Schneckenwelle angetrieben. Durch eine Freidrehung 21 ist mit der Zentralantriebssäule 14 ein Bauteil des Stellantriebes 3 als Dehnungsbuchse aus­gebildet, die im Bereich der Freidrehung 2 diametral gegenüberliegend angeordnete Dehnungsmeßstreifen 23 trägt. Ein der Zentralantriebssäule 14 zugeordneter Spu­lenrotor 33 und ein stationär mit dem Gehäuse 2 verbun­dener Spulenstator 34 dienen der induktiven Übertragung der Meßsignale zu einem nicht dargestellten Meßverstär­ker. Der Spulenrotor 33 dient dabei gleichzeitig als Schutzhülle für die Dehnungsmeßstreifen 23. Der Kraft­fluß und die Drehbewegung vom Stellantrieb wird direkt in die Gewindebuchse geleitet. Der mit einer Schwächung versehene Bereich der Zentralantriebssäule 14 wird einem Torsionsmoment ausgesetzt. Dieses Torsionsmoment wird über die Dehnungsmeßstreifen gemessen und induktiv an den nicht dargestellten Meßverstärker weitergegeben. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1.
• Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der Zen­tralantriebssäule 14 als Träger der Dehnungsmeßstreifen 23 können insbesondere alternativ dazu folgende Bauteile mit einer das Torsionsmoment leicht erkennenden Schwä­chung ausgerüstet sind:
• Armaturengewindebuchse, Stege der Armaturenlaterne, Adapter zur Übertragung der Antriebskräfte, sowie Ein­gangs- und Ausgangswellen, Buchsen, Flanschverbindungen und sonstige Kupplungselemente, die als Übertragungsbau­teile zwischen Elektromotor bzw. Stellantrieb und Arm­atur Verwendung finden.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb (3) bewegbaren Armatur (5) unter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens (23), dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) des Stellantriebes (3) und das Gehäuse (4) der Armatur (5) über eine in ihrem zylindrischen Teil als Torsionsrohr wirkende an sich bekannte Flanschbuchse (1) miteinander verbunden sind, wobei die Flanschbuchse von der Armatu­renspindel (20) durchsetzt ist und wobei in einem Ring­raum zwischen der Flanschbuchse (1) und der Armaturen­spindel (20) ein Adapter (16) zur Übertragung der An­triebskräfte zwischen Stellantrieb und Armatur angeord­net ist.

2. Einrichtung zum Messen des Drehmomentes einer durch einen Stellantrieb (3) bewegbaren Armatur (5) un­ter Verwendung wenigstens eines Dehnungsmeßstreifens (23), dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauteil des Stel­lantriebes (3) oder der Armatur (5) als überwachbares Torsionselement ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß dem Dehnungsmeßstreifen (23) Spulen zur induktiven Übertragung der Meßsignale zugeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein mit dem Bauteil verbundener Spulenro­tor (33) den Dehnungsmeßstreifen (23) übergreift und als Schutzhülle dient.

5. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Steuern von Verfahrensabläufen technischer Anlagen.

Images